BR调节植物有性生殖作用机理研究

Sexual reproduction processes of higher plants involves a life cycle that alternates between the development of diploid sporophytic and haploid gametophytic forms, which includes crucial events like the development of female and male gametophytes, pollination, pollen germination and pollen tube elongation, pollen tube guidance, double fertilization and development of zygote etc. During the past decades, a combination of genetic and genomic techonologies have made significant contribution in revealing plant sexual reproduction processes at molecular level, however our understanding of the regulatory mechanism governing plant sexual reproduction processes，especiall how does phytohormones synergistically regulate sexual organogenesis or female and male gametogenesis is still very limited. It has been well acknowledged that weak brassinosteroid (BR) biosynthesis and signaling deficient mutants have shorter silique and set less seeds per silique, but BR signaling null mutants are completely sterile. Based on our preliminary data, we discovered the anther desiccation and embryo sac development processes are abnormal in those strong BR signaling mutants, which might contribute to the sterile phenotype of the mutants. Here we propose to examine the developing processes of stamen and pistil in BR signlaing null mutant. After locating the earliest developmental stages that shows obvious male and/or female organogenesis deficient phenotype in the mutant, we propose to use RNAseq techonology to find BZR1 target genes that involved in regulating these developmental processes. Our study will reveal the molecular mechanism BR used in regulating plant sexual reproduction processes.

植物有性生殖发育是一个复杂的单倍体与二倍体交替出现的过程，涉及雄性和雌性生殖器官的发育；授粉；花粉管萌发，伸长和导向；双受精和受精卵的发育等过程。经过多年的研究，目前对植物有性生殖的发生机制有一定的了解，但仍然有许多方面，尤其是对于植物激素如何协同调节雌雄性器官和雌雄胚子体的发生了解得还不是很清楚。油菜素内酯(BR)信号缺失突变体表现出角果伸长受抑，角果内种子较少等表型，而强缺失突变体则基本不育。前期我们发现BR信号缺失突变体的雌雄蕊的发育都有异常，信号缺失强突变体花药干燥开裂过程受到抑制，而且胚囊发育也出现很高比例从珠被中突出的现象。在本项目中我们将对BR强突变体的雌雄蕊进行详细深入的观察研究，从组织器官发生的水平了解BR信号缺失突变体育性下降或者不育的原因，并在分子水平解析BR调节花药开裂和胚囊发生等植物有性生殖过程的作用机理。

作为一种促进植物生长的重要植物激素，BRs 参与了一系列的植物发育过 程。在细胞水平上，BRs 能调节细胞的伸长、分裂和分化；在整个植株水平上， BRs 能调节下胚轴的伸长、茎干发育、叶发育、根发育、植株衰老以及对生物和 非生物胁迫的响应等。而 BR 对植物有性生殖 过程的调节作用虽然发现得早，但是对于其调节作用的分子机理却了解得不是 很清楚。通过本项目的支持，我们发现 BR 信号或者合成突变体的雄蕊都普遍短于野生型，但是相比于弱缺失突变体 bri1-5 和 det2 来说，强缺失突变体bri1-116的雄蕊要更短。花丝和雌蕊的不等长可能是导致 BR 突变体不育(强突变体)或者部分不育（弱突变体）的原因之一。此外我们还发现bri1-116突变体花药的干燥开裂过程受到抑制。野生型花药发育成熟后在 第 13 期会有一个脱水，干燥的过程。干燥后的花药才能正常开裂，完成授粉的 过程。但是在bri1-116突变体中，花药干燥的过程延长到 14, 15 期或者更 晚。这种花药发育和雌蕊发育的不同步可能是导致 BR 信号缺失强突变体不育的另一主要原因。通过突变体杂交，我们发现bri1-116突变体雄蕊不伸长，花药不开裂的表型能够被bzr1-1d突变体所恢复，说明BZR1参与的基因表达调控参与了雄蕊正常生长和发育过程。因此我们利用Col野生型对照，bri1-116和bzr1-1dbri1-116突变体9-13期的雄蕊为材料，利用RNAseq的方法，找到了一批雄蕊发育过程中受BR和BZR1调节的基因。从中，我们发现一个基因 TRIPLE S(Suppressor of short stamen) 的表达水平受BZR1的抑制。将该基因的T-DNA插入缺失突变体和bri1-116突变体杂交后发现，该基因的缺失能够恢复bri1-116突变体雄蕊不伸长的表型，但是不能恢复花药不开裂的表型。说明雄蕊的伸长和开裂是受不同的基因或者信号途径分别调节的。此外，我们还发现bri1-116强突变体胚珠发育异常，主要表现为珠被不伸长，该表型也能够被bzr1-1d突变体所恢复。我们也利用Col野生型对照，bri1-116和bzr1-1dbri1-116突变体发育的胚珠为材料，进行了RNAseq分析。找到了一批受BZR1调节的胚珠相关的基因。对于这些基因在BR调节的珠被伸长中的调节作用还在研究中。